A novel dominant mutation of the Nav1.4 alpha-subunit domain I leading to sodium channel myotonia.

BACKGROUND: Mutations in SCN4A may lead to myotonia. METHODS: Presentation of a large family with myotonia, including molecular studies and patch clamp experiments using human embryonic kidney 293 cells expressing wild-type and mutated channels. RESULTS: In a large family with historic data on seven generations and a clear phenotype, including myotonia at movement onset, with worsening by cold temperature, pregnancy, mental stress, and especially after rest after intense physical activity, but without weakness, the phenotype was linked with the muscle sodium channel gene (SCN4A) locus, in which a novel p.I141V mutation was found. This modification is located within the first transmembrane segment of domain I of the Na(v)1.4 alpha subunit, a region where no mutation has been reported so far. Patch clamp experiments revealed a mutation-induced hyperpolarizing shift (-12.9 mV) of the voltage dependence of activation, leading to a significant increase (approximately twofold) of the window current amplitude. In addition, the mutation shifted the voltage dependence of slow inactivation by -8.7 mV and accelerated the entry to this state. CONCLUSIONS: We propose that the gain-of-function alteration in activation leads to the observed myotonic phenotype, whereas the enhanced slow inactivation may prevent depolarization-induced paralysis.

CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Caractérisation clinique et génétique des myotonies congénitales classiques et atypiques au Saguenay Lac St-Jean

Les syndromes myotoniques congénitaux atypiques dus à des mutations du canal sodé voltage-dépendant Nav1.4 se distinguent des myotonies congénitales classiques (canal chlore ClC-1) par la présence de traits atypiques incluant des myotonies douloureuses aggravées au froid et à l’ingestion de potassium. La caractérisation clinique et moléculaire de plusieurs familles atteintes de ces conditions rares dans la région du Saguenay-Lac-St-Jean nous a permis de découvrir une nouvelle mutation SCN4A à effet fondateur causant un phénotype de myotonies douloureuses aggravées au froid, parfois accompagné de phénomènes dystrophiques ou paralytiques. L’ampleur de notre cohorte nous permet de commenter sur l’hétérogénité phénotypique observée, sur les traits caractéristiques des syndromes associés au gène SCN4A, sur les implications physiologiques probables d’une telle mutation ainsi que sur les facteurs modulant le phénotype observé. Enfin, notre étude nous permet de souligner l’importance du dépistage familial systématique afin de prévenir les complications anesthésiques potentielles associées à ces conditions.

Prevalência de equinos quarto de milha portadores das mutações causadoras da miopatia por acúmulo de polissacarídeo tipo 1, paralisia periódica hipercalêmica e hipertermia maligna no Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Prevalência da mutação causadora da paralisia periódica hipercalêmica em equinos da raça Quarto de Milha no Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cellular hyper-excitability caused by mutations that alter the activation process of voltage-gated sodium channels.

Voltage-gated sodium channels (Nav) are widely expressed as macro-molecular complexes in both excitable and non-excitable tissues. In excitable tissues, the upstroke of the action potential is the result of the passage of a large and rapid influx of sodium ions through these channels. NaV dysfunction has been associated with an increasingly wide range of neurological, muscular and cardiac disorders. The purpose of this review is to summarize the recently identified sodium channel mutations that are linked to hyper-excitability phenotypes and associated with the alteration of the activation process of voltage gated sodium channels. Indeed, several clinical manifestations that demonstrate an alteration of tissue excitability were recently shown to be strongly associated with the presence of mutations that affect the activation process of the Nav. These emerging genotype-phenotype correlations have expanded the clinical spectrum of sodium channelopathies to include disorders which feature a hyper-excitability phenotype that may or may not be associated with a cardiomyopathy. The p.I141V mutation in SCN4A and SCN5A, as well as its homologous p.I136V mutation in SCN9A, are interesting examples of mutations that have been linked to inherited hyperexcitability myotonia, exercise-induced polymorphic ventricular arrhythmias and erythromelalgia, respectively. Regardless of which sodium channel isoform is investigated, the substitution of the isoleucine to valine in the locus 141 induces similar modifications in the biophysical properties of the Nav by shifting the voltage-dependence of steady state activation toward more negative potentials.